Лабораторная работа «Фотоэлектрические преобразователи - Фотодатчики»

Фотопреобразователем (фотодатчиком, фотоэлементом) называется электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Фотодатчики могу регистрировать и преобразовывать как видимое излучение, так и невидимое (инфракрасное, ультрафиолетовое).

Основные понятия

Свет — электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом в диапазоне частот, воспринимаемых человеческим глазом (380—780 нм, от фиолетового до красного).

Свет может рассматриваться и как электромагнитная волна, и как поток фотонов: частиц, обладающих определенной энергией и нулевой массой покоя.

Одной из характеристик света является его цвет, который определяется длиной волны. Физические величины, связанные со светом: яркость, освещённость, световой поток, световая отдача.

Понятие излучения связано, прежде всего, с переносом в пространстве некоего количества энергии - энергии излучения. Для оценки этой энергии был введен аналог понятия мощности - поток энергии.

Поток энергии - это величина, равная отношению энергии, переносимой излучением, к интервалу времени, за который эта энергия переноситься. Если обозначить это время как dt, а энергию, переносимую излучением, как dQ_e, то поток энергии Ф_e можно определить как:

Свет представляет собой, как правило, сложное излучение, то есть совокупность (спектр) простых (монохроматических) излучений с определенной длиной волны. Для оценки вклада каждого монохроматического излучения в общий спектр, вводят еще одно понятие - спектральная плотность потока излучения (спектральная мощность излучения) Ф_λ. Эта величина есть функция длины волны и определяется как отношение потока энергии в бесконечно малом диапазоне около некоторого значения длины волны к этому диапазону.

Известно, что человеческий глаз воспринимает разное излучение по-разному. В зависимости от длины волны, излучение одинаковой мощности вызывает различную реакцию. Например, излучение с длиной волны 300 нм мы вообще не увидим, а излучение той же мощности, но с длиной волны 555 нм будет видно лучше, чем любое другое. Чтобы учесть все эти особенности Международной комиссией по освещению (МКО) была введена функция V(λ) - относительная спектральная световая эффективность излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО (для дневного зрения).

Функция эта не равна нулю во всем диапазоне видимого света, а максимум функции V(λ) приходится на длину волны 555 нм, которой соответствует наиболее сильная реакция среднестатистического глаза.

Для вычисления величины светового потока необходимо проинтегрировать в видимом диапазоне частот спектральную плотность потока излучения Φ_λ:

где K_m - фотометрический эквивалент излучения (K_m=683 лм/Вт)

Для оценки излучения по его действию на глаз человека ввели новую систему - систему световых величин, основной единицей которой стал люмен.

Люмен (лм, lm) — единица измерения светового потока в системе СИ. Излучение с длиной волны 555 нм и потоком (мощностью) 1 Вт эквивалентно 683 люменам светового потока.

Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света равной одной канделе, в телесный угол, величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кд•ср). Полный световой поток, создаваемый изотропным источником, с силой света одна кандела, равен 4π люменам.

Важным понятием является сила света. Сила света в заданном направлении - это отношение светового потока, распространяющегося равномерно в бесконечно малом телесном углу, к величине этого угла. Другими словами - это пространственная плотность светового потока.

Сила света по различным направлениям - это очень важная характеристика любого светильника и светового прибора: она показывает, каким образом прибор "светит" в пространство вокруг себя. Единица силы света – кандела (обозначение: кд, cd). Она является одной из основных единиц системы СИ и численно равна силе света светового потока, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540·10¹² Гц мощностью 1/683 [Вт/стерадиан].

Ранее кандела определялась как сила света, излучаемого чёрным телом перпендикулярно поверхности площадью 1/60 см² при температуре плавления платины (2042,5 К). В современном определении коэффициент 1/683 выбран таким образом, чтобы новое определение соответствовало старому.

Выбранная частота соответствует зелёному цвету. Человеческий глаз обладает наибольшей чувствительностью в этой области спектра. Если излучение имеет другую частоту, то для достижения той же силы света требуется большая энергетическая интенсивность.

Сила света некоторых типичных источников:

• Свеча – 1 кд;

• Современная лампа накаливания (100 Вт) – 100 кд;

• Светодиод – 0,001 кд.

Светимость - плотность светового потока по поверхности излучателя, то есть отношение потока, излучаемого бесконечно малым участком излучателя, к площади этого участка.

Освещенность - плотность светового потока по освещаемой поверхности. Освещенность измеряется в люксах (лк). Один люкс - это освещенность, которую имеет поверхность площадью 1 м² с падающим на нее световым потоком в 1 люмен.

Освещённость прямо пропорциональна силе света источника света. При удалении его от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.

Когда лучи света падают наклонно к освещаемой поверхности, освещённость увеличивается пропорционально косинусу угла падения лучей.

Освещенность E находят по формуле:

где I — сила света в канделах; r — расстояние до источника света; i — угол падения лучей света.

Освещённость определяют с помощью фотоэлектрического экспонометра.

Экспонометры делятся на:

• Оптические (сейчас практически не используются). Считывание времени выдержки или числа диафрагмы производится визуальным сравнением яркости соответствующих цифр с яркостью оптического клина переменной плотности. Основной недостаток — зависимость чувствительности глаза от общей окружающей освещённости, что может приводить к большим погрешностям.

• Фотоэлектронные. Поток света воспринимается электронным фотоэлементом, и необходимое значение считывается со шкалы по отклонению стрелки или с цифрового индикатора.